深入地球的望遠鏡—大陸超深鑽探計劃

06-09

人類歷史上第一顆進入行星軌道的人造衛星

上天、入地、下海洋是人類自古以來的三大夢想。自1957年，前蘇聯成功發射了第一顆人造地球衛星以來，人類已對太空進行了無數次成功探索。

人類已經不止一次在月球上留下了腳印，未來若干年登上火星的夢想也即將實現。「蛟龍號」「深海挑戰者號」等國內外深潛器，也在一次次地突破著洋底探測的極限深度。「上九天攬月，下五洋捉鱉」已經成為現實。然而比起上天下海，人們對自己生活的地球內部所知甚少。

2012年3月加拿大導演詹姆斯·卡梅隆乘坐深海挑戰者號潛水艇抵達挑戰者深淵

由於堅硬岩石的阻隔，人類對地球內部直接觀察困難重重。到目前為止，人們對地球內部的認識大多是通過地球物理等間接方法獲得的，因此往往具有多解性。

地震剖面

因此，若想要對地球奧秘進行最直接的探索，必須深入到地球內部獲取樣品及各種信息。科學鑽探是獲取地球深部物質、了解地球內部信息的最直接、最有效、最可靠的方法，是地球科學發展的不可缺少的重要基礎。

通過數千米甚至上萬米的大陸科學鑽探，科學家可以揭示大陸地殼的物質組成與結構構造，探索地球深部流體系統、地熱結構。可以解決一系列重大基礎科學問題。因此大陸科學鑽探工程被形象地譽為「伸入地球內部的望遠鏡」，與之前筆者介紹過的大洋鑽探相比，大陸科學鑽探起步較晚，始於20世紀70年代的前蘇聯。

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前蘇聯科拉SG-3超深鑽

冷戰時代，以美國為首的西方資本主義國家和以前蘇聯為首的社會主義東方陣營進行了一場長時間的較量。雙方在軍事、經濟、外交、科技等領域明爭暗鬥。

冷戰期間地學領域最具代表性的兩大工程是大洋鑽探和大陸超深鑽，兩大科學工程均始於上世紀60年代。大洋鑽探以美國為主導，大陸超深鑽以前蘇聯為主導。

冷戰期間，美蘇雙方在一系列領域展開競爭

科拉超深井於1970年紀念列寧誕辰100周年時開鑽。在地質科考隊確定了鑽井位置之後，1970年5月24日鑽井啟動。直到7000米深鑽井過程都相對平穩，鑽過堅硬的花崗岩。在這個深度之後鑽頭進入了較為不堅硬的層狀岩石。鑽過這些層狀岩石時，井身因空洞而掉落，結果導致鑽柱被岩石卡住，鑽頭在提升過程中掉落的事故不止一次發生，因此鑽井持續了好幾年。

未拆除的科拉超深鑽井架

1979年6月井鑽破了之前由美國奧克拉荷馬州Berthar Rogers超深井保持的9583米的記錄。

發展勢頭最好的時候，在科拉井上有16個實驗室工作，並且由蘇聯地質部直屬領導。

仍在使用中的科拉超深鑽

1983年鑽至12066米後鑽井暫停了，因為要準備定於1984年在莫斯科舉辦的國際地質大會。

為紀念科拉超深鑽而發行的郵票

1984年9月27日鑽井繼續，第一次下放就出了事故——鑽柱斷落。鑽井從7000米深重新開始，1990年將至時新的旁支鑽達12262米深，鑽柱再次脫落，鑽井也因此而徹底關閉。儘管沒有完成預期的15000米鑽進目標，但12000米的科拉超深鑽本身就是人類的一項壯舉，它的深度保持了20年領先紀錄，直到2008年才被卡達的一口石油鑽井打破（阿肖辛油井12289米），截止2016年，科拉半島超深鑽的鑽探深度排名世界第五。

2012年8月27日，埃克森美孚公司超深鑽到達 12376 m

21世紀初，由於財政困難及缺乏國家支持，「科拉超深鑽井」項目被決定徹底關閉。 2008年該井被廢棄，設備被拆除，地面建築被破壞。

拆除後的SG-3鑽孔，斷木殘垣散落其中

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聯邦德國大陸深鑽計劃（KTB）

KTB計劃的目的是通過科學超深鑽井獲取地學信息，進行關於地殼較深部位的物理、化學狀態和過程的基礎研究和評價，以了解內陸地殼的結構、成分、動力學和演變。

鑽井井架的特寫

這項計劃1977年提出，經過10年考察、論證、選址， 1985年，聯邦德國大陸深鑽計劃（KTB）開始實施。與科拉計劃不同，KTB有兩個鑽孔——先導孔和主孔。先導孔率先鑽進4000米，為主孔積累了經驗，並替主孔採集了4000米以內的岩心，減輕了主孔的負擔，使得主孔最終鑽進9101米。1987年9月18日至1989年4月4日完成先導孔（4000米）施工；1990年10月6日至1994年10月12日完成主孔（9101米）施工。儘管在深度上KTB沒有超過科拉超深鑽井，但卻建立了世界最先進的深井長期觀測系統。

位於德國的KTB計劃鑽井架

值得一提的是，迄今為止，世界上超過8000米的科研鑽井，仍只有科拉鑽井與KTB鑽井

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國際大陸科學鑽探(ICDP)

90年代初，由德國牽頭，在國際地學界的支持下，28個國家的250位專家出席並制定了國際大陸科學鑽探計劃（ICDP），1996年2月26日，中、德、美三國正式簽署備忘錄，成為首批成員國，正式啟動ICDP。德國自然科學基金會、聯合國教科文組織地學部、大洋科學鑽探計劃作為聯繫成員，墨西哥、希臘、俄羅斯、法國、英國、加拿大、日本、歐洲科學基金會成為成員國（組織），計劃每年投資70萬美元，目前ICDP已有21個成員國。

我國作為首批成員國之一，也積極地參與到國際大陸科學鑽探研究的浪潮中。先後主持了中國大陸科學鑽探工程與青海湖鑽探項目。

中國大陸科學鑽探工程是繼前蘇聯和德國之後第三個超過5000米的科學深鑽。

中國大陸科學鑽探工程鑽井架

也是全世界穿過造山帶最深部位的科學深鑽，該工程建成了亞洲第一個深部地質作用長期觀測實驗基地，也是亞洲第一個大陸科學鑽探和地球物理遙測數據信息庫，亞洲第一個研究地幔物質的標本岩心館和配套實驗室，使我國超高壓變質帶和地幔物質研究達到國際領先水平。

青海湖國際環境鑽探項目是國際大陸鑽探計劃（ICDP）項目之一，也是中國環境科學鑽探計劃的重要組成部分。是我國唯一的以環境變化研究為主的大型現代湖泊鑽探。項目的目的是獲取高精度的東亞古環境記錄，研究區域的氣候、生態和構造演變及其與其他區域和全球古氣候變化的關係，通過鑽孔數據取得了喜人的研究成果。

青海湖鑽探項目

「

上天、入地、下海，雖然面對的未知與困難依舊，但我們從未停止過探索的步伐，隨著一系列大陸鑽探計劃的推進，我們對腳下地球的了解，必將逐步清晰！

」

（部分圖片引用自維基百科與科學網）

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美術編輯：趙亞楠

校對：吳建國